0 引言

    目前，光伏逆變器均是假定電網(wǎng)電壓三相對(duì)稱來研制的。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓三相不對(duì)稱時(shí)，光伏逆變器的運(yùn)行受影響：逆變器直流側(cè)電壓會(huì)出現(xiàn)2倍頻波動(dòng)；其輸出的并網(wǎng)電流三相不對(duì)稱，總諧波畸變率（Total Harmonics Distortion，THD）上升，甚至導(dǎo)致逆變器損壞^[1-2]。

    為解決電網(wǎng)不平衡時(shí)的正序電壓鎖相問題，文獻(xiàn)[3]提出了基于雙同步坐標(biāo)系解耦的軟件鎖相環(huán)。該方法具有較高的穩(wěn)態(tài)精度，但是其依賴于相位反饋，因此當(dāng)電網(wǎng)相位突變時(shí)，其過渡過程中存在超調(diào)較大、恢復(fù)時(shí)間較長等問題。文獻(xiàn)[4]采用自適應(yīng)觀測器來進(jìn)行電網(wǎng)相位鎖定，但是該算法程序計(jì)算量較大，比較復(fù)雜。針對(duì)電網(wǎng)不平衡下的光伏逆變器控制問題，文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了正、負(fù)分序的雙同步坐標(biāo)系控制系統(tǒng)，通過給定正、負(fù)序電流指令來實(shí)現(xiàn)恒定并網(wǎng)功率控制。雖然控制效果良好，但是整個(gè)系統(tǒng)中含有四個(gè)電流PI控制器和一個(gè)電壓PI控制器，各電流控制器的參數(shù)整定及相互協(xié)調(diào)比較困難。文獻(xiàn)[6-7]基于靜止坐標(biāo)系中光伏逆變器的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于比例諧振控制器(proportional resonant，PR)的交流無靜差控制系統(tǒng)，但由于PR控制器的頻率適應(yīng)性較差，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移時(shí)，并不能取得滿意的控制效果。文獻(xiàn)[8]為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)不平衡情況下穩(wěn)定控制光伏逆變器直流側(cè)電壓，采取了只控制正序電流，不控制負(fù)序電流的策略。由于在理論上該策略并不能完全實(shí)現(xiàn)恒功率并網(wǎng)控制，因此，只能在一定程度上減弱直流側(cè)電壓的波動(dòng)，且為了進(jìn)行電壓補(bǔ)償需要設(shè)計(jì)較復(fù)雜的高通濾波器，這在一定程度上降低了它的實(shí)用性。

    本文首先針對(duì)前文所述不平衡電網(wǎng)下的鎖相環(huán)存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢、算法較復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)了基于SOGI的正、負(fù)序分離鎖相模塊，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，將抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流作為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的不平衡控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單；并通過在外環(huán)電壓控制器后引入二倍頻陷波器，來降低不平衡控制下并網(wǎng)電流的THD。最后，利用PSCAD/EMTDC搭建仿真模型進(jìn)行系統(tǒng)性驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明了本文理論研究的正確性。

1 正負(fù)序分離

    電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，由對(duì)稱分量法可知，電壓含有正、負(fù)、零序分量，此時(shí)可以表示如下：

    對(duì)于三相無中線系統(tǒng)，其不存在零序電流通路，因此以下分析和討論均不考慮零序電壓。對(duì)式(2)、式(3)進(jìn)行數(shù)學(xué)變換可得^[1]：

其中，q=e^-jπ/2，為90°相位滯后因子。由式(4)和式(5)可知，若要實(shí)現(xiàn)正、負(fù)序分離，可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行正交處理。

    基于內(nèi)模原理提出的二階廣義積分器其結(jié)構(gòu)如圖1。其中，v為輸入的正弦信號(hào)，ω′是濾波器中心頻率，k是阻尼系數(shù)，常取為

    根據(jù)圖1可得輸入信號(hào)v到輸出信號(hào)v′和qv′的傳遞函數(shù)D(s)與Q(s)的幅值和相位頻率特性如下：

    分析式(6)、式(7)可知，當(dāng)SOGI的中心頻率與輸入信號(hào)的頻率相同時(shí)，則輸出信號(hào)v′與v具有相同的幅值和相位，qv′與v幅值相同，但是相位滯后90°，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的正交處理。從而，基于SOGI所設(shè)計(jì)的正、負(fù)序分離模塊如圖2所示。

2 不平衡控制系統(tǒng)

    根據(jù)對(duì)稱分量法，不平衡電網(wǎng)電壓含有正、負(fù)、零序分量，且正序和負(fù)序電壓各成系統(tǒng)。在電網(wǎng)負(fù)序分量的作用下會(huì)使得逆變器輸出電流三相不平衡。本文以抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流為控制目標(biāo)，當(dāng)控制負(fù)序電流為零時(shí)，不平衡電網(wǎng)下光伏逆變器的功率關(guān)系為：

    式中，p₀、p_2c、p_2s分別為并網(wǎng)有功功率中的平均值、二倍頻分量；q₀、q_2c、q_2s分別為并網(wǎng)無功功率中的平均值、二倍頻分量；P上標(biāo)代表相應(yīng)的正序分量，N上標(biāo)代表相應(yīng)的負(fù)序分量。

    由式(8)可知此時(shí)并網(wǎng)功率存在二倍頻分量，所以此時(shí)直流側(cè)電壓也含有二倍頻分量，從而導(dǎo)致并網(wǎng)電流中含有3、5、7次等諧波分量。為此，可以設(shè)計(jì)截止頻率較低的電壓外環(huán)控制器，且在其后引入二倍頻陷波器，以濾除掉電壓的二次紋波，保證電流品質(zhì)。

    綜上，本文所設(shè)計(jì)的基于電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的控制系統(tǒng)如圖3所示。該控制系統(tǒng)與常規(guī)光伏逆變器控制策略基本一樣，與雙同步坐標(biāo)系控制系統(tǒng)相比，無需電流正、負(fù)序分離模塊，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3 正負(fù)序分離的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    據(jù)前文對(duì)SOGI的理論分析，在DSP28335平臺(tái)上，編程實(shí)現(xiàn)圖2所示的正、負(fù)序分離模塊。實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸入信號(hào)中正序分量的幅值為100 V，負(fù)序的幅值為50 V。

    實(shí)驗(yàn)時(shí)以同步坐標(biāo)系的d軸定向，來鎖定電網(wǎng)電壓相位，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如圖4。由圖可知本文所設(shè)計(jì)的正、負(fù)序分離模塊具有良好的動(dòng)態(tài)性能與準(zhǔn)確度，充分說明了本文設(shè)計(jì)方案的正確性與實(shí)用性。

4 不平衡控制系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證

    為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)控制策略的正確性，利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC搭建出三電平光伏逆變器的模型。具體仿真參數(shù)為：電網(wǎng)電壓E_max為220 V；直流側(cè)穩(wěn)壓電容C為600 μF；系統(tǒng)額定功率PN為10 kW；網(wǎng)側(cè)電感濾波器L為0.45 mH。

    基于此仿真系統(tǒng)，進(jìn)行了常規(guī)控制策略（I型策略）和有負(fù)序電壓前饋（II型策略）的對(duì)比仿真。仿真條件設(shè)定為電網(wǎng)A相0.3 s時(shí)驟降為原來的50%。

    圖5為I型策略控制下并網(wǎng)電流波形和A相并網(wǎng)電流的THD分析。分析圖5可知，光伏逆變器的輸出電流三相不對(duì)稱，且電流的THD大增，已不符合光伏并網(wǎng)要求。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，I型策略控制下的光伏逆變器的運(yùn)行受到了嚴(yán)重影響，需要進(jìn)行策略改進(jìn)。

    圖6為II型策略控制下并網(wǎng)電流波形和A相并網(wǎng)電流的THD分析。

    從圖6可以看出，A相電壓跌落后，逆變器的并網(wǎng)電流仍舊能保持良好的對(duì)稱性；在截止頻率設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾妷嚎刂破骱投额l陷波器的協(xié)調(diào)作用下，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流的THD雖然有所增大，但是仍保持在2.3%左右。因此，II型策略能很好地應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱的情況，充分證明了本文方案的正確性。

5 結(jié)論

    本文以不平衡電網(wǎng)下的正、負(fù)序分離模塊為基礎(chǔ)，圍繞光伏逆變器的不平衡控制策略展開研究。為了加快不平衡鎖相環(huán)的響應(yīng)速度及簡化其實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了基于SOGI的鎖相模塊，且利用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證；本文以抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的基于網(wǎng)側(cè)負(fù)序電壓前饋的不平衡控制系統(tǒng)，且通過電壓控制器和二次陷波器的配合降低電流THD，仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性。

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作者信息:

歐陽森1，2，馬文杰1，2

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640；2.廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510640)